ENERGIAS ALTERNATIVAS

ENERGA SOLAR TRMICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA ELCTRICA

a energia do dia

CONTENIDO: Introduccin. Energa solar trmica. El colector solar. Conducciones. Almacenamiento: Acumuladores Intercambiadores. Bombas. Aislamiento. Otros elementos. Elaboracin de un proyecto sobre energasolar trmica. Clculo de la superficie colectora. Clculo de los elementos de una instalacin.

ENERGA SOLAR TERMICA

INTRODUCCIN

El uso de la radiacin solar por el hombre como fuente de energa

requerida para la satisfaccin de necesidades diversas es una practica

que tal vez tiene su misma edad. Han transcurrido miles y miles de aos y

el sol sigue tan intenso y seguira asi por algunos millones de aos ms.

La utilidad energtica de la radiacin solar ya no es solo una esperanza o

una posibilidad. Es una realidad que va mucho ms all de la

conveniencia de su uso. Es ahora una nececidad imperiosa para

contribuir con el desarrollo de nuestros pueblos por que su uso no genera

contaminacin ambiental, existe en todos los lugares de la tierra y no se

agotara antes que el hombre desarrollo un sistema global de suministro

energtico limpio y sostenible.

El complemento de esta realidad es la tecnologa uno de cuyos

componentes de importancia singular es el equipamiento o artefacto a

travs del cual esperamos aprovechar esta fuente inagotable de energa

ENERGA SOLAR TERMICA

CONVERSIN DE LA ENERGA SOLAR

Hoy por hoy son muchas y muy variadas las alternativas el uso de laES., la fig., 1 muestra y precisa el marco general de esta opcintecnolgica, dentro de las que se ubican los sistemas trmicos debaja temperatura.

CONVERSIN DE LA ENERGACONVERSIN DE LA ENERGA SOLAR

FOTOTRMICA FOTOQUMICA FOTOVOLTAICA

CALOR ELECTRICIDADALMACENAMIENTO TRMICO

ENERGA QUIMICA

CELDA SOLARCOLECTOR SOLAR

CONVERSINTERMOELCTRICA

MOTOR A CALOR

CONVERSIN TERMOINICA

REACTOR SOLAR

ENERGA SOLAR TERMICA

La energa trmica o calorfica, conocida como calor es unaforma particular de la energa, est relacionado con elmovimiento mas o menos desordenado de las partculasque componen los cuerpos materiales.

Para evaluar la cantidad de energa trmica que un cuerpopuede ser capaz de transferir a otro se introduce elconcepto de temperatura, que es una magnitud asociada acada estado de un cuerpo tal que la igualdad de esta parados cuerpos es condicin necesaria y suficiente para queentre ellos no se produzca en forma natural transferencia deenerga trmica.

El calor se manifiesta, pues, nicamente cuando existe unadiferencia de temperatura entre dos cuerpos, es decir, unadiferencia de su nivel trmico

ENERGA SOLAR TRMICA

COLECTORES SOLARES

EL COLECTOR SOLAR PLANO

CORTE TRANSVERSAL DEL COLECTOR PLANO

Avidro=Aabsoro perdas elevadas

Grande ngulo de aceitao colector estacionrio

Capta radiao directa e difusa

Temperaturas < 50C

COLECTOR SOLAR PLANO DE TUBOS DE VACOTUBOS DE VCUO

Absorvedor em vcuo perdas baixas

Grande ngulo de aceitao colector estacionrio

Capta radiao directa e difusa

Temperaturas > 50C

COLECTORES SOLARES

COLECTORES SOLARES

CONCENTRADOR

Acaptao >> Aabsoro concentrador

ngulo de aceitao ~1 Seguir o Sol

Capta apenas radiao directa

Temperaturas > 200C

COLECTORES SOLARES

COLECTOR PLANO CPC (Concentrador Parablico Composto)

1. Perfil de alumnio anodizado;2. Vedante de borracha E.P.D.M.;3. Isolamento em poliuretano expandido

livre de CFCs; 4. Alheta selectiva em ambas as faces;5. Chapa de poliestireno; 6. Vidro temperado c/ 3 mm de espessura;7. Tubo de cobre 22mm; 8. Alumnio espelhado de alta reflectividade;

COLECTORES SOLARES

vidroabsorvedor

isolamento

caixa

Avidro > Aabsoro Concentrador

ngulo de aceitao amploSegue o Sol

Capta radiao directa e difusa

Temperaturas at 100C

Grelha

menor rea => menor factor de perdas trmicas (w/m2.C)

Superfcie selectiva (ambas as faces)

Coeficiente de emisso muito baixo

Coeficiente de absoro muito elevado

RENDIMIENTO DE COLECTORES

RECTA DE RENDIMENTO

Temp. ambiente = 25C;

Irradiao Global horizontal = 1000 W/m2;

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165 175 185 195

Tfpreto bao s/ cobertura preto bao c/ cobertura

selectivo CPC

piscinas, estufas

AQS, pr-aquecimento industrial

pr-aquecimento industrial, frio

FUNCIONAMIENTO DEL COLECTOR

TIPO DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS

Transferncia de energia utilizando a circulao natural do fluido (pela diferena de densidade);

Dispensa sistema de controlo;

Dispensa sistema de bombagem;

Transferncia de energia utilizando a circulao forada (bomba circuladora);

Necessita de sistema de controlo;

Necessita de sistema de bombagem;

INCLINACION DE LOS COLECTORES

CAMPO DE COLECTORES - INCLINAO

Vero

Inverno

Vero (hotis de temporada) Lat - 15

Utilizao Inclinao

Anual (domstico, outra no sazonal) Lat (15 50) 5

Inverno (aquecimento) Lat + 15

POSICIN DE LOS COLECTORES

CAMPO DE COLECTORES - INCLINAO

O posicionamento dos colectores determina a quantidade de radiao solar aproveitvel ao longo do perodo de utilizao anual.

A orientao que maximiza a quantidade de radiao aproveitvel coincide com o Norte geogrfico.

OE

S

N5

N magntico

CAMPO DE COLECTORES - SOMBRAS

Determinao das zonas de sombreamento ao longo do ano:

E

O

S

N

as = -15 50

as = -5

h = 10

ZONAS DE SOMBREAMIENTO

As projeces estereogrficas permitem determinar zonas de sombreamento ao longo do ano:

PROYECCIONES ESTEREOGRFICAS

Puno: lat aprox. 16

-40

35

h < 11

-16 < as < -5

E

N

0

-15

POSICIN DEL SOL

DIAGRAMA SOLAR PARA PUNO

Para conocer cul es la

posicin del sol en cada

instante es necesario y

suficiente conocer cuanto

valen las coordenadas

que la definen como son

su azimut y su altura.

Estos ngulos dependen

de la latitud, la hora y el

da del ao.

CAMPO DE COLECTORES DISTANCIA ENTRE FILAS

A distancia entre filas de colectores deve garantir que s 12:00 horas solares do dia mais desfavorvel (21 de Dezembro) a sombra da aresta superior duma fila tem que projectar-se, no limite, sobre a aresta inferior da fila seguinte.

zh0

d1 d2

d

Lh0 = ( 90 - lat ) - 23.5

d = d1 + d2

Solstcio de Inverno

= z / tan h0 + z / tan b

d = L (sen b / tan h0 + cos b)

POSICIN DEL SOL

ACUMULAO SOLAR

O carcter no permanente do recurso solar torna imprescindvel a utilizao de um equipamento para acumulao da energia recolhida ao longo de um perodo, regra geral, dirio: o depsito, que dever assegurar:

Reduzidas perdas trmicas;

Volume adequado;

Temperatura de utilizao adequada;

Rpida resposta ao consumo;

Boa integrao no edifcio;

Baixo custo;

Longa durao;

Segurana;

TANQUE DE ALMACENAMIENTO

PERMUTADORES DE CALOR

PERMUTADOR DE CAMISA PERMUTADOR DE SERPENTINA

Nas aplicaes relacionadas com a energia solar trmica, recomenda-se uma potncia de permuta de 750 W/m2 de colector.

Apresenta baixa eficcia (0,35);

Utilizado para pequenos volumes;

Apresenta mdia eficcia (0,55);

Utilizado para pequenos e mdios volumes;

INTERCAMBIADOR DE CALOR

PERMUTADOR DE PLACAS Apresenta a maior eficcia (0.75);

Utilizado em mdios/grandes volumes;

So modulveis podendo acrescentar-se placas consoante necessidades futuras;

Na utilizao em piscinas dever escolher-se um permutador de material resistente corroso causada pelo tratamento da gua.

No esquecer que necessitam de isolamento trmico;

Possibilidade de limpeza (placas desmontveis);

Perda de carga mais elevada;

INTERCAMBIADOR DE CALOR

BOMBAS CIRCULADORAS

BOMBAS PARA CIRCULACION FORZADA

CONTROLO

CD

T1

T2

I/O

DT arranque

DT paragem

T1 T2 2 C

T1 T2 5 C

CONTROL DE BOMBA

FLUIDO DO CIRCUITO PRIMRIO

Mistura de gua com anti-congelante;

No txico;

Propriedades anti-corrosivas;

ANTICONGELANTE Y ANTICORROSIVOS

ESQUEMA UNIFILAR

CD

utilizao

1

2

3

4 5

5

5

6

6

7 7

7

7

7

7

8

9

5

ELEMENTOS PARA CIRCULACIN FORZADA

Purgador Solar

ACESSRIOS

Vlvula de corte p/ purgador

Separador de micro-bolhas

Misturadora termosttica

Vlvula de segurana Vlvula de corte com reteno Vaso de expanso

EQUIPOS Y ACCESORIOS

INTRODUCCIN GENERAL

DISEO DEL PERFIL PARA UN COLECTOR

SOLAR PLANO CPC

Colectores de Concentracin

El principio es el de concentrar mediante procedimientospticos, la energa que irradia el sol entra al colectorconcentrador, a travs de una superficie determinada esreflejada, refractada o absorbida por una supercie menor,para luego ser transformada en energa trmica.

La ventaja importante de este tipo de colector es ante todo lareduccin de las prdidas trmicas en el receptor, pues al serste de menor supercie habr menos rea para la radiacindel calor y por lo tanto el lquido que circula por el receptorpuede calentarse a mayores temperaturas con unrendimiento razonable.

INTRODUCCIN GENERAL

DISEO DEL PERFIL PARA UN COLECTOR

SOLAR PLANO CPC

Las reflexiones y refracciones extras de la radiacin solarhacen aumentar las prdidas pticas y entonces las curvasrepresentativas del rendimiento, parten de ordenadas en elorigen menores que las de un colector plano, pero no tienenla pendiente pronunciada, caracterstica de estos ltimos .

Tipos de Colectores ConcentradoresSe clasifican en dos categoras bsicas:

a. Los de enfoque:

b. Los fijos o semijos:

INTRODUCCIN GENERAL

Los de enfoque: Los concentradores de enfoque constanfundamentalmente de tres partes: el concentrador o sistema

ptico, el receptor donde se encuentra el receptor

(absorbedor) y un mecanismo de seguimiento para el sol y

con ellos se puede lograr altas temperaturas en el

absorbedor

Los fijos o semijos: Tienen las mismas partes que de los deenfoque con la nica diferencia que estos no poseen un

mecanismo de seguimiento, estos concentradores son

estacionarios, con algunas variaciones.

Y a su vez estos concentradores son de foco lineal (2D) y

foco puntual (3D).

INTRODUCCIN GENERAL

COMPONENTES

PRINCIPALES :

- Reflector cilndrico

parablico

- Tubo absorbente

- Sistema de seguimiento

del sol

- Estructura metlica

COLECTORES SOLARES DE ENFOQUE DE FOCO LINEAL (CCP)

INTRODUCCIN GENERALCOLECTORES SOLARES FIJOS Y SEMIFIJOS DE

FOCO LINEAL (CPCs)

COMPONENTES

PRINCIPALES :

- Reflector parablico

compuesto

- Receptor (absorbedor)

- Sistema estacionario

- Estructura metlica

reflectores

receptor

estructura

reflectores

caja

estructura

receptores

INTRODUCCIN GENERAL

COLECTORES SOLARES DE ENFOQUE (FOCO PUNTUAL)

COMPONENTES

PRINCIPALES :

- Reflector paraboloide

- Receptor puntual

- Sistema de seguimiento

del sol

- Estructura metlica

receptorreflector

estructura

INTRODUCCIN GENERALTipos de Receptores en los Concentradores

Los de foco lineal: Son aquellos concentradores diseados en dos

dimensiones (2D), que tienen su foco

(receptor) lineal, estos pueden ser

con seguimiento y sin seguimiento.

Los de foco puntual: Son aquellos concentradores diseados

en tres dimensiones (3D), que tienen

su foco (receptor) puntual, estos son

con seguimiento.

CLASIFICACION DE LA RAZON DE CONCENTRACION

Razn de concentracin mxima terica (Cmax): Se

establecen los lmites superiores para la razn de concentracin

en sistema 2D.

Cmax = 1/sen

Razn de concentracin geomtrica (Cg): Viene ha ser la

relacin del rea de captacin (Ac) entre el rea del receptor (Ar)

en 2D.

Cg = Ac/Ar

Razn de concentracin ptica de concentracin

(Copt_conc): Es la razn del nmero de rayos que inciden y el

nmero de rayos absorbidos en el receptor.

Cg = N rayos que inciden/N rayos absorbidos

Colector tipo CPC Colector Plano

Ar < Ac Ar = Ac

Prd. trm. proporcional a Ar Prd. trm. proporcional a Ar

C > 1 C = 1

Capta radiacin difusa Capta radiacin difusa

Temp. ms elevadas Temp. menos elevadas

Menor peso, Para una misma rea Mayor peso de aceptacin

95Lt/m2 60Lt/m2

varias aplicaciones pocas aplicaciones

Menor ngulo Mayor ngulo

Fijo, semifijo, seguimiento Fijo

COMPARACION ENTRE COLECTOR CPC Y PLANO

Concepcin de Diseo del Perfil CPCEl diseo del colector tipo CPC en 2D, conocido tambin como

colector de Winston.

Basado en un principio de diseo general por aumentar al

mximo la razn de concentracin C, para la radiacin dentro

de un ngulo medio de aceptacin dado +- .

El CPC concentra la radiacin solar de una forma ideal mxima,

esto es, en los lmites permitidos por las leyes de la Fsica

(reflexin, refraccin), es decir la razn de concentracin (C),

de un concentrador en 2D, tambin est en funcin del

semiangulo de aceptacin (), entonces para un CPC:

DISEO DEL PERFIL CPC

C =1/Sen=Ac/Ar.

ECUACIONES BSICAS PARA DETERMINAR EL PERFIL DEL CPC

Ecuacin Polar del Crculo (Envolvente)

rSenY

rCosX

Geometra y Ecuacin de la Parbola

2/1cos1

22sen

ffr

a energia do dia

2/1cos1

22sen

ffr

Una forma paramtrica ms compacta usando la ecuacin polar

de la parbola

senasenfsen

x cos1

)(2 max

coscos1

)(cos2 max asenf

y

a energia do dia

)1( maxsenaf

1)3)(1()2(cos2

)1(2)cos(

maxmax

2

maxmax

2

max

2

maxmax

sensenaysena

xsenaysenx

cos1

)(2 max afsen

x

Por rotacin de ejes y traslacin del origen se obtiene la

ecuacin de la seccin meridiana de la parbola del CPC. En

trminos del dimetro 2a de la abertura de salida y elsemingulo de aceptancin ().

cos1

)cos(2 maxfy

EL PRINCIPIO DE LOS RAYOS DE BORDE

Denominado tambin principio de rayos extremos, con razn de

concentracin que se acerca al valor terico mximo, para el CPC

2D. da el cual hace que todos los rayos del ngulo de la entrada

extremo cae sobre el borde del receptor, es decir que los rayos

entran al ngulo mximo 2 que sern tangentes a la superficiedel receptor (absorbedor) despus de una reflexin.

Los Concentradores los cuales pueden disearse para satisfacer

este principio alcanzan o muy estrechamente se aproximan a la

concentracin permisible mxima (Cmax) para un campo angular.

FORMA BSICA DEL CPC

a energia do dia

A

B CC

Curva circular (envolvente)

con centro en el punto CC

Curva parabolica

con foco en el punto CC

y con eje focal inclinado

grados

Curva parabolica

con foco en el punto A

y con eje focal inclinado

grados

Curva parabolica truncada

con foco en el punto B

y con eje focal inclinado

grados

Angulo de

aceptacin

Rayos extremos (o de borde)

siempre que >

FORMULAS PARA EL TRUNCAMIENTO DEL CPC

Si nosotros truncramos el CPC quitando parte de la abertura

final de entrada, nosotros obtenemos una reduccin considerable

en la altura del CPC, reducindose la razn de concentracin

mxima terica (Cmax), mnimamente entonces esta reduccin

de la altura, es compensado

econmicamente por el ahorro en la plancha de receptor.

Por tanto las relaciones deseadas en trminos del sistema de

coordenadas polares (r, ) para diseo en geometra 2D.

2

12a

sen

senfa

T

iTT

2

1

cos

2

a

sen

fh

T

iT

T

Ancho de truncamiento:

Altura de truncamiento:

max

min

)1('21arccos

r

sena

Angulo de coordenada polar mnimo:

Distancia del foco Q a un punto P del concentrador

Distancia del foco Q a un punto Pmax. del concentrador

T

iTT

sen

fL

2

1

)cos(

2

cos1

)1('2 senar

sen

aar

)'(max

Longitud de truncamiento del reflector:

Diseo del Perfil CPC

Los clsicos diseos de rayos extremos, exigen al reflector y

receptor estar juntos. Sin embargo, esto puede ser indeseable

por las razones prcticas tal como la necesidad de aislar el

receptor trmicamente de sus alrededores (espejos reflectores),

es decir que provocara un deterioro prematuro del receptor por

las altas temperaturas alcanzadas en el receptor.

En los diseos se han encontrado vacos entre el receptor y el

reflector, que permiten aislar esto . El diseo depende de la

forma del receptor que se elija. De tal manera es posible disear

una ptica ideal (2D), para cualquier tipo de receptor. En este

caso los clculos se inician a partir de un receptor de seccin

triangular que ser el receptor ideal.

El criterio ms importante para el diseo del colector CPC en

(2D), es escoger un ngulo de aceptacin, de tal forma que se

garantice que luego de orientado hacia el sol no necesite

reorientacin.

Parmetros de Clculo para el Diseo del CPC

Replanteando las ideas anteriores debemos

seleccionar un CPC que tenga una razn de

concentracin mxima ideal (Cmax), que este

dentro del lmite (1 < C < 2), de tal manera que no

requiera seguimiento durante el da, mayor ngulo

de aceptacin posible y que sea truncada a una

altura tal que se logre usar menos reflectores. La

razn de concentracin es inversamente

proporcional al ngulo de aceptacin por lo tanto

debemos buscar un punto de equilibrio. Para

disear el perfil del CPC, se ha implementado un

programa informtico (CPC-nonimaging),

desarrollado en el software MATHEMATICA.

Seleccin del receptor comercial circular.

El receptor circular debe ser lo mas pequeo posible de manera

que no disminuya la capacidad trmica del mismo, porque a

mayor tamao de receptor mayor perdida por conveccin y

radiacin y la vez la concentracin ptica disminuye.

Se selecciona tubera de cobre de 1/2", comercial.

Ingreso de parmetros de clculo.

Secuencia del Trazado de las Curvas del Perfil CPC

Primero: receptor ideal y real

Segundo

Tercero

Porcin de curva circular (envolvente)

Primera porcin de parbola.

a energia do dia

Quinto

Cuarto

Tercera porcin de parbola con receptor

ideal

Segunda porcin de parbola con receptor

ideal

Sexto: Perfil CPC truncado final ideal

Stimo: Perfil del CPC truncado con receptor circular con aletas

Resultado de parmetros de clculo.

Ejemplo de clculo de diseo del perfil CPC.

Reflectores de

aluminio

Receptor circular

con aletas

LCPC

Ancho de entrada

Ancho de receptorhT

Distancia de reflector

a receptor

LT

Esquema isomtrico y de frente del CPC

a energia do diaDimensiones del clculo correspondiente al procesode diseo del colector CPC, en mm.

Ingreso de parmetros para el Ray-tracing

Concepto del ngulo de barrido para el trazo de rayos

Angulo de barrido significa el ngulo en la cual el programa

simula que los rayos solares inciden en el colector. Por ejemplo

si el ngulo de aceptacin de un colector es de 30, el

programa simula que los rayos inciden en este con un ngulo

menor, por ejemplo 29, 20, etc.,

y calcula el total de rayos que inciden en el receptor entre el

total de rayos que ingresan al CPC, que seria la efic. Opt. De

concentracin.

Si el receptor es ideal este valor seria 100%, pero cuando

uno cambia la forma del receptor este valor varia, y se tiene

que tener en cuenta que este debe ser lo mas pequeo

posible de manera que no disminuya la capacidad trmica

del mismo, porque a mayor tamao de receptor mayor

perdida por conveccin y radiacin y la vez la

concentracin ptica disminuye.

Si al cambiar la forma del receptor se incrementa la

eficiencia ptica significa que el receptor a crecido, uno

puede incrementar tanto como quiera hasta que la

eficiencia ptica sea siempre 100%, pero se pierde

eficiencia trmica.

Cont. Concepto del ngulo de barrido para el trazo de rayos

Simulacin del trazo de rayos para el receptor ideal y real.

ngulo de incidencia 30

ngulo de incidencia 15

ngulo de incidencia 0

ngulo de incidencia 30

ngulo de incidencia 15

Simulacin del trazo de rayos para el receptor real.

ngulo de incidencia 30

ngulo de incidencia 15

ngulo de incidencia 0

ngulo de incidencia 15

ngulo de incidencia 30

Terminado la secuencia del Ray-tracing, se obtienen losresultados de la razn de concentracin ptica y laeficiencia ptica de concentracin del CPC ideal y real(receptor circular con aletas)

DIMENSIONAMIENTO Y CONSTRUCCIN DEL

COLECTOR SOLAR (CPC)

RECEPTOR

En este modelo, el receptor del colector esta formado por

tres tuberas con aletas cuyo esquema general se muestra

en la figura siguiente.